本题导读
本题考查空间直角坐标系的建立。核心在于空间向量坐标代数法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2004年湖北卷(理)) 如图,在棱长为 1 的正方体 中,点 是棱 的中点,点 是棱 上的动点.
(1) 试确定点 的位置,使得 ;
(2) 当 时,求二面角 的大小.(结果用反三角函数值表示)
🔍【思路分析】
破题导航
- 建立坐标系与写出坐标:以 为原点,射线 分别为 轴正方向建立空间直角坐标系 。写出 的精确坐标。设 ,其中 。
- 第一问逻辑:由 可知,向量 必须同时垂直于平面内的两个不共线向量 与 。通过列出方程组 ,解出参数 的值,从而确定 的物理位置。
- 第二问逻辑:当 的位置固定后,分别求出平面 的法向量 和平面 的法向量 。利用公式 求出两法向量夹角的余弦值,结合图形判定二面角是锐角还是钝角,最后用 形式输出。
✅【答案】
Success
(1) 当点 是棱 的中点时,可使得
(2) 二面角 的大小为
✍【详细解析】
Abstract
建立空间直角坐标系与坐标设定: 以 为坐标原点,射线 分别为 轴的正方向,建立空间直角坐标系 。 由于正方体棱长为 1,且 是 的中点,可写出各顶点的坐标: 因为点 是棱 上的动点,设 ,其中 。
(1)试确定点 的位置,使得 : 计算相关向量的坐标表示:
要使 ,只需满足 与平面内两个基底向量同时垂直: 首先核验第一项: 恒成立。 再由第二项建立关于 的方程: 由于 ,符合题意。
答:当点 是棱 的中点时,可使得 。
(2)求二面角 的大小: 当 时,点 的坐标固定为 。
求平面 的法向量 : 由第(1)问已知,当 时, 垂直于该平面内的所有直线。 因为 均在底面 内,且 为 中点, 为 中点。 易知平面 即为底面 ,其标准向上法向量可直接选取为:
求平面 的法向量 : 计算平面内的两个向量: 根据法向量性质建立方程组: 取 ,解得 。 故平面 的一个法向量为:
计算两法向量的夹角余弦值: 设两法向量 与 的夹角为 ,则: 观察图形可知,二面角 为钝二面角,其大小记为 ,则 与 互补:
答:二面角 的大小为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:空间直角坐标系的建立与应用;线面垂直条件的向量代数方程转化;利用平面法向量夹角求解空间二面角。
- 核心方法:空间向量坐标法。
- 避坑指南:
- 第二问在求出两法向量的夹角余弦值 后,必须结合直观图形判定二面角是锐角还是钝角。由于平面 向正上方倾斜,它与底面 围成的二面角 明显大于 ,因此最终的余弦值必须人工修正为负数 ,对应的反三角函数结果必须带负号,否则会因逻辑不完整被扣除 2 分。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 空间直角坐标系与空间向量,考查正方体中动点相关的线面垂直问题。
- 结论推广: 对正方体、长方体等易建系的几何体,设动点坐标为参数,把几何位置关系(如线面垂直)转化为向量的数量积方程,解出参数即可确定动点位置。
🔗【关联脉络】
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